虚函数详解（二）—— 虚函数与多继承

目录

前言

一、多继承对虚函数机制的挑战

二、多重 vptr 与对象内存布局

三、虚函数表的结构与 thunk 机制

3.1 主虚函数表与次级虚函数表

3.2 为什么需要 thunk？

3.3 this 调整量的计算

四、通过不同基类指针调用——全过程解析

4.1 通过第一基类指针调用

4.2 通过第二基类指针调用覆盖函数

4.3 通过第二基类指针调用未覆盖函数

4.4 调用新增虚函数

五、构造函数与析构函数中的 vptr 切换

六、覆盖多个基类中的同名虚函数

七、对 dynamic_cast 的影响

八、性能与内存开销考量

九、回看与展望

前言

        在上一篇文章中，我们详细探索了单继承下的虚函数机制：每个类拥有一张虚函数表，每个对象通过一个虚函数指针（vptr）来找到正确的函数实现。单继承呈现出一种优雅的线性结构，派生类的虚表只需在前缀保持一致的前提下，替换或追加新的函数指针。

        然而，当多继承*登场时，事情变得复杂起来。一个派生类可能同时继承自两个或更多基类，这些基类各自独立，可能都包含虚函数。如此一来，对象中不再只有一个 vptr，虚函数表也不再是简单的单表结构，“this 指针调整” 和 “thunk” 技术成为保证多态正确性的关键。本文将深入剖析这些机制，带领你穿过多继承的虚函数迷雾。

一、多继承对虚函数机制的挑战

        考虑一个简单的多继承场景：
 

class Base1 { public:     int b1_data = 1;     virtual void f1() { std::cout << "Base1::f1\n"; }     virtual void common() { std::cout << "Base1::common\n"; } }; class Base2 { public:     int b2_data = 2;     virtual void f2() { std::cout << "Base2::f2\n"; }     virtual void common() { std::cout << "Base2::common\n"; } }; class Derived : public Base1, public Base2 { public:     int d_data = 3;     void f1() override { std::cout << "Derived::f1\n"; }     void f2() override { std::cout << "Derived::f2\n"; }     void common() override { std::cout << "Derived::common\n"; }     virtual void f3() { std::cout << "Derived::f3\n"; } };

        `Derived` 同时继承了 `Base1` 和 `Base2`，它覆盖了两基类的全部虚函数，并新增了自己的虚函数 `f3`。问题随之而来：

        1). 一个 `Derived` 对象内部存储形式是什么？`Base1` 和 `Base2` 子对象需要各自保持独立吗？
        2). 通过 `Base2*` 调用 `f2()`，如何正确找到 `Derived::f2`？
        3). 如果通过 `Base2*` 调用 `Derived::common()`，`this` 指针应该如何传递？毕竟 `common()` 里可能访问 `Derived::d_data`，而通过 `Base2` 指针拿到的 `this` 指向的是 `Base2` 子对象的首地址。

        C++ 编译器通过多重 vptr、多张虚函数表和thunk技术完美解决了这些问题。

二、多重 vptr 与对象内存布局

        在单继承下，对象中只有一个 vptr，放在对象的最前端。多继承则不同：每个具有虚函数的基类，都要求在派生的对象中保留自己的 vptr，以保证基类指针能够独立工作。

        对于上述 `Derived` 类，典型的内存布局如下（假设 64 位系统，8 字节 vptr）：
Derived 对象内存布局：

+-------------------+ | vptr1 (主表)      |  <-- 指向 Derived 的主虚函数表 (与 Base1 共用) +-------------------+ | b1_data = 1       |  // Base1 成员 +-------------------+ | vptr2 (次级表)    |  <-- 指向 Derived 的次级虚函数表 (为 Base2 定制) +-------------------+ | b2_data = 2       |  // Base2 成员 +-------------------+ | d_data = 3        |  // Derived 自身成员 +-------------------+

        这里出现了两个 vptr：`vptr1` 位于对象起始处，属于 `Base1` 子对象；`vptr2` 位于 `Base2` 子对象起始处（偏移量为 `sizeof(Base1)`）。每个 vptr 指向的内容并不相同。`vptr1` 指向主虚表，`vptr2` 指向为 `Base2` 定制的次级虚表。正是这些不同的虚表完成了函数地址的正确分发。

        当我们以不同基类指针指涉该对象时：

Derived d; Base1* pb1 = &d;   // pb1 指向对象首地址 Base2* pb2 = &d;   // pb2 指向对象内 Base2 子对象的地址 (自动偏移)

        因为 `Base2` 子对象并非在对象开头，`pb2` 的值实际上比 `&d` 大了一个偏移量